Tema 1: Fundamentos Físicos y Equipos en Imagen para el Diagnóstico y Medicina Nuclear

1. Caracterización de las radiaciones y las ondas

1.1 Radiación Ionizante y No Ionizante

• La radiación ionizante se define como aquella capaz de arrancar un electrón de su órbita al interaccionar con un átomo, causando que este se ionice.

• La radiación no ionizante, que no puede ionizar átomos, incluye ondas como la luz visible, microondas, etc.

1.2 Estructura de la Materia

• A lo largo de la historia, se han formulado múltiples hipótesis sobre la estructura de la materia:

  • La materia está compuesta por átomos, pequeñas partículas inmutables.

  • Los átomos de un mismo elemento son idénticos en tamaño y masa, pero diferentes a los de otros elementos.

  • Los compuestos químicos son formados por la unión de átomos de diferentes elementos en relaciones numéricas simples.

  • Durante una reacción química, los átomos se reorganizan pero no se crean ni destruyen.

1.3 Composición del Átomo

• El átomo está compuesto por partículas subatómicas:

  • Electrón (e): carga -1, masa 1/1850

  • Protón (p): carga +1, masa 1

  • Neutrón (n): carga 0, masa 1

• Dos partes del átomo:

  • Corteza: Contiene electrones.

  • Núcleo: Denso y cargado positivamente, contiene protones y neutrones (nucleones).

1.4 Números Definitorios de un Átomo

• Número Atómico (Z): Número de protones que determina las propiedades fisicoquímicas y la posición en la tabla periódica.

• Número Másico (A): Suma de protones y neutrones. La variación en el número de neutrones no afecta las propiedades químicas.

• Isótopos: Átomos del mismo elemento con igual número atómico (Z) pero diferente número de neutrones (A).

1.5 Iones y Configuración Electrónica

• Configuración electrónica: Distribución de electrones en niveles específicos.

• Los átomos que tienen electrones en exceso o defecto se denominan iones:

  • Pérdida de electrones: el átomo se convierte en un catión (ión positivo).

  • Ganancia de electrones: el átomo se convierte en un anión (ión negativo).

1.6 Medición de Radiaciones

• Las radiaciones ionizantes son invisibles y se pueden medir físicamente.

2. Fuentes de Radiación

2.1 Fuentes de Radiación Ionizante

• Radiación Natural de fondo: Incluye radiación cósmica, radiación gamma de rocas y gas radón.

• Radiación Artificial de fondo: Resultante de explosiones nucleares y residuos de instalaciones nucleares.

• Radiación de diagnóstico médico y terapéutico: Utilizada en procedimientos clínicos.

• Radiación Electromagnética: Emitida por diversas fuentes.

  • Fuentes naturales: Sol, tormentas, campo magnético terrestre.

  • Fuentes artificiales: Líneas eléctricas, electrodomésticos, y tecnología de comunicación.

2.2 Definición de Radiación

• La radiación es la energía emitida durante la transmisión. La materia que absorbe dicha energía se considera irradiada.

3. Tipos de Radiación

3.1 Clasificación de Radiación Ionizante

• Radiación de partículas:

  • Radiación alfa (α) y radiación beta (β)

• Radiación electromagnética:

  • Rayos X (Rx) y Rayos gamma (Ɣ)

3.2 Propagación de la Radiación Electromagnética

• Se propaga a la velocidad de la luz (≈ $3 imes 10^8 ext{ m/s}$) y se clasifica por energía en un espectro electromagnético.

3.3 Particularidades de Fotones

• Un fotón representa la cantidad más pequeña de radiación electromagnética, similar al átomo para un elemento.

Características de una onda sinusoidal:

• Amplitud (A): Mitad del intervalo entre una cresta y un valle.

• Frecuencia (f): Número de ondas que pasan por un punto en un segundo (medido en Hz).

• Longitud de onda (λ): Distancia entre crestas o valles.

• La longitud de onda y la frecuencia son inversamente proporcionales.
  $( ext{Velocidad} = f imes ext{λ})$

• Energía del fotón: Proporcional a su frecuencia.

  • Ley de la inversa del cuadrado para la intensidad de la radiación.

4. Rayos X

4.1 Producción de Rayos X

• Se producen por el bombardeo de electrones energéticos en un ánodo.

• Características de los rayos X:

  • Son ionizantes, viajan a la velocidad de la luz y son indetectables a simple vista.

  • Fotones de rayos X: Energía entre 20 a 150 KeV.

  • Longitudes de onda: Oscilan entre 0,6 Å y 0,08 Å; los rayos X más cortos tienen mayor energía.

4.2 Propiedades Principales de los Rayos X

1. Poder de penetración: Capacidad de atravesar la materia.

2. Efecto luminiscente: Generación de luz al incidir sobre ciertos materiales.

3. Efecto fotográfico: Cambios en emulsiones fotográficas.

4. Efecto ionizante: Capacidad de ionizar gases y materia.

5. Efecto biológico: Efectos adversos en organismos vivos.

4.3 Atenuación de Rayos X

• Existen diferentes materiales con coeficientes de atenuación, con los heterogéneos generando contraste en imágenes radiológicas.

5. Radiaciones de Partículas

5.1 Clasificación

• Formadas por partículas cargadas (alfa y beta) y no cargadas (neutrones), interactuando con otras mediante fuerzas eléctricas.

6. Ondas Materiales y Ultrasonidos

6.1 Sonido

• Los ultrasonidos se utilizan en ecografías, presentando efectos como reflexión, refracción, polarización, interferencia y difracción.

6.2 Efecto Doppler

• Variación de frecuencia del sonido percibida por un receptor debido al movimiento de la fuente emisora.

7. Magnetismo y Aplicaciones

7.1 Campos y Fuerzas Magnéticas

• Magnetismo: Fenómeno físico que resulta en la atracción de ciertos materiales.

• Tipos de imanes: permanentes (naturales) y temporales (electroimanes).

7.2 Clasificación de Materiales Magnéticos

• Paramagnetismo: Materiales que se alinean con un campo, pero pierden magnetismo al retirarlo.

• Diamagnetismo: Rebote débil a campos magnéticos.

• Ferromagnetismo: Materiales que pueden multiplicar el campo magnético interno.

7.3 Aplicaciones Prácticas

• Los electroimanes son utilizados en resonancia magnética y pueden inducir efectos adversos.

8. Aplicaciones de las Radiaciones Ionizantes

8.1 Diagnósticas

• Aplicaciones en radiología convencional, densitometría, gammagrafía, PET y SPECT.

8.2 Terapéuticas

• Teleterapia: Fuentes externas radiactivas.

• Braquiterapia: Fuentes encapsuladas colocadas en tejidos o cavidades naturales.

9. Aplicaciones de las Radiaciones No Ionizantes

9.1 Resonancia Magnética y Ecografía

• La RM utiliza ondas bajas para obtener imágenes con alto contraste y resolución.

• La ecografía utiliza ultrasonido para exploración en tiempo real, sin radiaciones ionizantes.

• Ventajas de la ecografía: Detección de densidades y flexibilidad en la exploración, sin ionización.